Синхронні мікродвигуни

Основною особливістю синхронних мікродвигунів (СМ) області, що визначає, їх застосування, є сталість частоти обертання при незмінній частоті f живильної мережі. Частота обертання ротора двигуна в синхронному режимі (при M_сопр < М_mах) не залежить від коливань напруги живлення й моменту опору. Вона дорівнює частоті обертання магнітного поля, тобто синхронній частоті обертання:

У цей час у схемах автоматики СМ застосовуються дуже широко. По конструктивному виконанню вони досить різноманітні, особливо однофазні мікродвигуни малих потужностей (від десятих ватів до декількох ватів).

Залежно від конструкції ротора розрізняють СМ з електромагнітним порушенням, постійними магнітами, реактивні й гістерезисні. На рис.7.14 представлені основні конструктивні схеми синхронних мікродвигунів.

Рис. 7.14. Конструктивні схеми СМ: а – з електромагнітним збудженням (2р=2); б – з постійними магнітами (2р=2); в – реактивні (2р=4); г – гістерезисні.

Крім двигунів звичайного виконання в схемах автоматики іноді зустрічаються звернені синхронні мікродвигуни, обмотка змінного струму яких розміщається в пазах ротора. Мікродвигуни з електромагнітним порушенням (з обмоткою збудження постійного струму на полюсах) внаслідок складності їх конструкцій і пуску, а також необхідності наявності джерела постійного струму для живлення обмотки збудження в схемах автоматики застосовуються дуже рідко.

СМ випускаються як на промислову частоту 50 Гц, так і на підвищені частоти 400, 500, 1000 Гц. Крім звичайних двигунів у схемах автоматики широко застосовуються тихохідні двигуни з електромагнітною редукцією частоти обертання, що працюють на зубцевих гармоніках поля, і двигуни з ротором що катається або хвильовим роторами. Іноді для одержання низьких частот обертання використовуються звичайні двигуни із вбудованими редукторами.

До СМ пред'являються як загальні для всіх електричних машин вимоги - високі енергетичні показники (n і cosf), малі габарити, маса й т.п., так і специфічні для синхронних двигунів вимоги, які залежать від схеми, у якій застосовується двигун. В одних схемах від двигуна потрібне сталість середньої частоти обертання, в інших - сталість миттєвої частоти обертання в межах одного оберту ротора. Крім СМ безперервного обертання знайшли застосування імпульсні крокові двигуни.

СМ з постійними магнітами

У схем автоматики застосовується велика кількість різних типів синхронних мікродвигун з постійними магнітами, що відрізняються друг від друга за способом запуску, конструктивному виконанню, способу живлення й т.д. Вага синхронного двигун з постійними магнітами, якщо їх класифікувати за один з базових показників (способу запуску), можна розділи на три групи: з самостійним запуском; двигуни с асинхронним пуском; двигуни з гістерезисним пуском.

Двигуни з самостійним запуском найбільш поширені в схемах автоматики. Вони використовуються для привода годинних механізмів, механізмів реле, усілякого роду програмних пристроїв і т.п. Номінальні потужності таких двигунів звичайно не перевищують десятих вата. Вони мають велику кількість полюсів і невеликі синхронні частоти обертання (звичайно n_с = 60f/p ≤ 375 об/хв).

Двигуни часто розраховуються на роботу від однофазних мереж змінного струму. Їхнє магнітне поле або пульсуюче, або еліптичне. Ці двигуни розраховуються на малоінерціне навантаження або з початковим холостим ходом. Для забезпечення їх пуску широко використовують різні пристрої із пружинами, храповиками й іншими пристосуваннями, що забезпечують обертання ротора в заданому напрямку й блокувальними зворотний хід.

СМ з постійними магнітами й асинхронним пуском відрізняються від інших типів синхронних двигунів з постійними магнітами наявністю на роторі короткозамкненої обмотки типу білячої клітки, призначеної, по-перше, для пуску двигуна, по-друге, для стабілізації його частоти обертання - демпфірування хитань ротора при різких змінах навантаження.

Рис. 7.15. СД з радіальним розташуванням постійного магніту та пускової короткозамкненої обмотки: 1 – статор; 2 – шихтована чатсина ротора з короткозамкненою обмоткою; 3 – постійний магніт.

Рис. 7.16. Конструкції роторів СМ з радіальним розташуванням постійних магнітів та пусковою короткозамкненою обмоткою.

Останнім часом найбільше поширення одержали синхронні двигуни двох конструктивних виконань: з радіальним (рис.7.15, 7.16) і аксіальним розташуваннями постійного магніту й пускової короткозамкненої обмотки.

Статори двигунів обох конструктивних виконань нічим не відрізняються від статорів звичайних синхронних і асинхронних машин. У пазах шихтованих статорів розташовуються трифазні або двофазні обмотки змінного струму. Ротори двигунів поєднують у собі елементи синхронного двигуна - постійні магніти й асинхронного двигуна - короткозамкнену обмотку, виконану у вигляді білячої клітки, що розташовується в пазах.

Двигуни з радіальним розташуванням постійного магніту й пускової обмотки мають кільцевий пакет стали ротора, напресований на постійний магніт-зірочку, у пазах якого розташовується короткозамкнена обмотка. У сталі магнітопроводу ротора є міжполюсні прорізи, розміри яких вибираються з умови гарного асинхронного пуску й оптимального використання енергії постійного магніту в синхронному режимі, тобто з умови зменшення потоку розсіювання магніту. Пакет стали ротора з короткозамкненою обмоткою охороняє магніт від розмагнічування в режимі пуску (короткого замикання).

З метою запобігання магніту від розмагнічування, а також збільшення асинхронного моменту, необхідного для пуску, міжполюсний проріз бажаний вибирати мінімально можливої. Дослідження показують, що оптимальний розмір прорізу збільшується зі збільшенням потужності двигуна. Іноді з метою поліпшення пускових властивостей двигуна й збільшення механічної міцності його ротора між полюсними наконечниками залишають невеликі перемички - містки насичення (рис. 7.16).

Рис. 7.17. Робочі характеристики СД з постійнми магнітами (Р₂ – потужність на валу СД)

Синхронні двигуни з постійними магнітами й асинхронним пуском у ряді випадків мають істотні переваги в порівнянні із синхронними реактивними й гістерезисними двигунами: більш високі енергетичні показники - ККД і cos f (рис. 7.17); більшу питому потужність Ps - потужність на одиницю маси (особливо при потужностях у десятки й сотні ват і великому числі пара полюсів); підвищену перевантажувальну здатність, стабільність частоти обертання; гарну синфазность обертання, що часто потрібно у групових приводах. У деяких системах автоматики застосовуються синхронні мікродвигуни з постійними магнітами й гістерезисним пуском.

Синхронні гістерезисні двигуни

Статор звичайного гістерезисного двигуна нічим не відрізняється від статорів синхронних і асинхронних машин. Пакет статора набирається з ізольованих листів електротехнічної сталі. У напівзакриті (з нешироким прорізом) пазах розташовується звичайна трифазна або двофазна (у конденсаторних двигунах) обмотка, яка при підключенні до мережі змінного струму створює обертове магнітне поле. Ротор більшості гістерезисних двигунів являє собою суцільний або шихтований порожній циліндр із магнітотвердого матеріалу, що має широку петлю гістерезису (, що володіє великою залишковою намагніченістю), і розташовується на магнітній або немагнітній втулці. Магнітні схеми гістерезисних двигунів з різними роторами представлені на рис.7.18.

Принцип дії гістерезисного двигуна розглянемо на прикладі двигуна із суцільним масивним ротором (рис.7.19). Обертаючий момент такого двигуна можна представити як суму двох моментів: основного гістерезисного М_Г, обумовленого наявністю великої залишкової намагніченості, і моменту від вихрових струмів М_в: М= М_Г + Мв.

Рис. 7.18. Магнітні схеми гістерезисних двигунів з різними роторами: а – з ротором з магнітотвердого матеріалу; б, в – складений ротор з феромагнітною та не магнітною втулкою; г – з феромагнітною втулкою; 1 – ротор; 2 – статор; 3 – магнітотвердий матеріал; 4 – втулка; 5 – упорне кільце.

Момент від вихрових струмів виникає в результаті взаємодії обертового магнітного поля двигуна з вихровими струмами ротора. По своїй природі це асинхронний момент. Він дорівнює нулю при синхронізмі й внаслідок великого активного опору масивного ротора максимальний при пуску (n = 0). Якби двигун мав тільки момент від вихрових струмів, то його механічна характеристика не відрізнялася б нічим від механічної характеристики звичайного асинхронного двигуна з підвищеним активним опором ротора, що має s_k > 1.

Рис. 7.19. принцип дії гістерезисного двигуна: а – схема сил при манітному полі яке не обертається; б – схема сил при магнітному полі, яке обертається

Рис. 7.20. Механічні характеристики гістерезисного двигуна.

Виникнення гістерезисного моменту пояснюється наявністю в матеріалу ротора широкої петлі гістерезису. При асинхронній швидкості обертання ротор, перебуваючи в магнітному полі, увесь час перемагнічується. При цьому вісь поля ротора, виготовленого з магнітотвердого матеріалу, при наявності моменту опору на валу відстає від осі обертового магнітного поля на деякий кут θ. У результаті взаємодії поля ротора з випереджальним його обертовим магнітним полем статора виникає обертаючий гістерезисний момент М_Г.

Якщо ротор гістерезисного двигуна помістити в магнітне поле, то він намагнітиться, його області спонтанної намагніченості - елементарні магнітики будуть орієнтовані по силових лініях магнітного поля. На рис.7.19 схематично показано два елементарні магнітики. У результаті взаємодії зовнішнього поля, яке для наочності презентовано у вигляді двох полюсів магніту, з елементарними магнітиками ротора виникнуть сили F = F_n які в положенні ротора, що відповідає, показаному на рис.7.18, а, будуть спрямовані радіально. Момент, що діє на ротор у цьому випадку, буде дорівнює нулю.

Якщо полюси магніту, а отже, зовнішнє магнітне поле обертати щодо ротора, то елементарні магнітики будуть повертатися слідом за полем полюсів, однак внаслідок молекулярного тертя, яке в магнітотвердых матеріалів досить значно, вони будуть відставати від поля полюсів на деякий кут θ. Сили взаємодії F між елементарними магнітиками й полем полюсів магніту в цьому випадку (рис.7.19, б) крім радіальних складових Fn будуть мати ще тангенціальні складові Ft, які й створять обертаючий гістерезисний момент.

На рис.7.20 представлені механічні характеристики гістерезисного двигуна - залежності гістерезисного моменту М_Г, моменту від вихрових струмів М_в і сумарного моменту М = M_Г + М_в від частоти обертання n при круговому полі, синусоїдально розподіленому в просторі. У гістерезисних двигунів із шихтованим ротором вихрові струми практично відсутні, тому М_в = 0 і механічна характеристика М= М_Г = f(n) має вигляд прямої лінії.

Ротори гістерезисних двигунів по конструктивному виконанню можна розділити на три групи.

1. Ротори (суцільні або шихтовані), цілком виготовлені з магнітотвердого матеріалу (рис.7.18, а).

2. Збірні ротори, що полягають із порожнього циліндра (суцільного або шихтованого), виготовленого з магнітотвердого матеріалу й феромагнітної втулки (рис.7.18, б). Такі ротори звичайно застосовуються у випадку, якщо магнітотвердый матеріал має малу магнітну проникність μ (порівняно невелику індукцію насичення В_m при великій коерцитивній силі Н_с).

3. Збірні ротори, що полягають із активної частини - порожнього (суцільного або шихтованого) циліндра з магнітотвердого матеріалу - і немагнітної (μ = 1) втулки з алюмінію або пластмаси (рис.7.18, в). Такі ротори застосовуються в тому випадку, коли магнітотвердый матеріал має порівняно більшу магнітну проникність μ (більшу Вт при порівняно невеликий Н_с).

Найбільше поширення в цей час одержали ротори другий і третьої груп. У деяких двигунах активна частина ротора виготовляється не з аркушів, а із дроту, смуг або прес-порошку.

Позитивні якості синхронних гістерезисних двигунів наступні:

· більші пусковий момент і момент входу в синхронізм;

· незалежність моменту входу в синхронізм від моменту інерції;

· плавність входу в синхронізм - відсутність ривка;

· незначна зміна струму - на 20...30 % від пуску (n = 0) до холостого ходу (n = nс) і на 1...3 % від холостого ходу до номінального навантаження;

· порівняно високий ККД, що досягає в деяких двигунах 60%;

· малий час розгону;

· більша механічна міцність і симетрія ротора, що дозволяє створювати високошвидкісні двигуни, у тому числі гідродвигуни;

· здатність того самого ротора працювати в магнітних полях різної полюсності - полісинхронізм ротора, що дозволяє створювати багатошвидкісні СД, хоча й нерівноцінні по якості на різних швидкостях через різне намагнічування активного матеріалу ротора;

· висока температурна стабільність пускових і робочих характеристик, обумовлена тим, що зміна температури впливає лише на значення активного опору обмотки статора;

· висока надійність, малий рівень шуму й порівняно невеликі габарити й маса.

Недоліки синхронних гістерезисних двигунів, що обмежують області їх застосування, зводяться до наступних:

· низький коефіцієнт потужності (cosf), що не перевершує 0,3...0,45;

· мала стабільність миттєвої швидкості обертання - хитання ротора при різко мінливих навантаженнях;

· великий технологічний розкид характеристик двигуна, що пояснюється тим, що навіть незначні відхилення від установленого режиму термічної обробки ведуть до значних змін властивостей магнітотвердых матеріалів;

· висока вартість магнітотвердых матеріалів і складність їх механічної обробки.

Синхронні реактивні мікродвигуни

Завдяки простоті конструкції, невисокої вартості, необхідності лише одного джерела живлення, високої надійності, стабільності характеристик синхронні реактивні мікродвигуни, незважаючи на порівняно невисокі енергетичні показники, знаходять широке застосування у всіляких схемах автоматики, фізичних приладах, приладах магнітному запису, зв'язки й ін. У цей час відоме багато різних варіантів конструктивного виконання синхронних реактивних мікродвигунів. Конструкція визначається призначенням, частотою обертання, системою живлення й цілим поруч інших факторів.

Найбільше поширення в цей час знайшли синхронні мікродвигуни, які конструктивно мало відрізняються від трифазних і однофазних асинхронних мікродвигунів. Їхні статори аналогічні статорам асинхронних двигунів. Ротори ж синхронних реактивних мікродвигунів (СРМ) досить різноманітні (рис.7.21). До останнього часу найбільше поширення мав ротор, представлений на рис.7.21, а, що відрізняється від звичайного короткозамкненого ротора асинхронного двигуна лише наявністю западин - вирізів із циліндричної поверхні, за допомогою яких утворюються явно виражені полюси, необхідні для роботи двигуна в синхронному режимі.

Принцип дії СРМ досить простий. Ротор розганяє до швидкості близької до синхронної за рахунок асинхронного моменту, а потім втягується в синхронізм за рахунок синхронізуючого моменту, що виникає внаслідок різниці магнітної провідності по поздовжній і поперечної осям.

Рис. 7.21. Види роторів синхроних реактивних двигунів.

СРМ, що з'явилися в останні роки синхронні, з роторами нової конструкції дозволили значно поліпшити пускові й робочі властивості двигунів. Особливістю вдосконалених роторів є те, що в них різниця магнітних провідностей, а отже, і синхронних індуктивних опорів по поздовжній і поперечної осям створюється не за рахунок зовнішніх міжполюсних западин, а в основному за рахунок внутрішніх вирізів у пакеті стали ротора, які дозволяють одержати значну різницю (xd - xq) при порівняно невеликій величині середнього повітряного зазору й порівняно невеликої асиметрії опорів пускової обмотки ротора. Пакети стали таких роторів звичайно заливаються сплавом алюмінію, який, скріплюючи їх, одночасно виконує функції провідника струмів ротора, що проходять тут не тільки по стрижнях зовнішніх пазів.

Застосування роторів удосконалених конструкцій дозволило значно поліпшити властивості синхронних реактивних двигунів. Так, наприклад, заміна звичайного ротора, зображеного на рис.18.16, новим удосконаленим ротором у двигуні, виготовленому на базі асинхронного двигуна АОЛ 021/4, дозволила побільшати момент виходу із синхронізму на 50%, момент входу в синхронізм на 80 %; початковий пусковий момент на 40 %; максимальний cosf на 40 %; максимальний ККД на 30 %.

Дата добавления: 2014-01-07